10.2.1 灌区信息采集传输
灌区水情、雨情、墒情、地下水水位及气象信息采集处理系统主要分为信息感知采集、信息传输和信息发布三部分。信息感知采集包括两种方式：遥测设备记录信息和人工记录信息。信息传输包括两种方式：有线方式,包括光纤、同轴电缆、双绞线、铜线等；无线方式,包括微波、GSM/GPRS/CDMA等。信息的发布与处理主要依靠软件系统进行操作。唐徕渠灌区的信息化采集遥测设备主要是遥测终端、水位计、流量计、雨量计、闸位计以及太阳能供电设备、无线信号传输系统等。
(1)灌区信息采集及传输系统。灌区信息采集、传输系统主要包括各类水工建筑物、土壤、作物、气象、水情数据的现场采集设施和设备。渠道工程自动化远程控制和土壤、作物、水情数据的传输方式为移动专网传输,见图10.2,气象数据的传输方式为GPRS传输,汛情数据采用宁夏防汛抗旱专用平台“旱汛通”传输和发布。
(2)闸门控制系统。
1)控制系统总体结构。采用光纤数据传输技术,通过光纤传输设备构成一个通信网络,对闸门的数据信息进行采集、处理、传输和控制。启闭机配套整体式电动执行机构,电动执行机构可在本地手动控制闸门的启闭,手动控制分为两种：一种是在没有电的情况下用专用工具手动启闭闸门；另一种是在有电的情况下在启闭机的控制面板上进行手动操作。同时电动执行机构可以准确地测量出闸门的启闭高度。与传统的电机配套皮带或者电机配套减速机相比,电动执行机构能够精确地使阀门/闸门走到任何位置,除了简单的开关功能,还包含了位置感应装置、力矩感应装置、电极保护装置、逻辑控制装置和数字通信模块等,而这些装置全部安装在一个紧凑的外壳内。电动执行机构可增强工作安全性能和环境保护性能。
现场配置一套PLC(Programmable Logic Controller,可编程逻辑控制器)控制箱。PLC控制箱可采集启闭机运行、停止、故障、远控等开关量信号以及闸门的开度值和量水堰液位等模拟量信号,同时可根据上位机(后台工控机)发出控制信号,实现闸门的开度调节。传输设备选用光纤交换机,将PLC信号接入,并传输至调度中心。
2)闸门控制系统组成。针对闸门自动控制系统的控制需求,采用基于远方调度中心集中控制和现地手动控制相结合的控制体系结构。闸门现地控制层分别由电动执行机构和液位计组成,进行各种数据采集与现场控制,并且将处理结果通过光纤网络传输至站级控制系统。PLC控制箱是站级控制系统的核心,在控制程序中实现很强的逻辑控制功能,并且运行速度快、抗干扰能力强。同时,PLC通过以太网络与调度中心计算机连接,而站级可以根据中央控制级的指令及时调整控制策略(图10.3)。
图10.3 闸门自动化控制网络拓扑图
每个PLC控制箱监视内容包括：闸门/阀门运行状态(如手动/自动、运行/停止、远方/现地等状态),闸门/阀门开度信息(如上升、下降、位置等),设备状态(如启闭状态、行程限位开关状态),液位(水面位置),报警信息(如报警类型、报警时间等)。
3)闸门控制流程。根据闸门控制过程的要求和设备特点,电气设备的控制分为现地控制和远程控制两种方式。
现地控制：现场手动操作为最高优先级,电动执行机构上有现地/远程切换按钮,当处于现地控制模式时,操作人员可以根据工艺情况直接对闸门进行启闭操作。该控制方式作为一种后备方式存在,但有最高的优先权。当电动执行机构的控制方式处于现地操作时,上级的控制干预将被屏蔽。
远程控制：调度中心控制是对系统远程调度的方式,能够监测闸门监测点的信号量、测量值等实时工况及运行参数,执行和记录中心调度员工作站发出的各泵站设备调节及控制命令信息,还可以根据量水堰中的水位以及各个泵站的运行情况协调控制相关闸门的启闭,在工况允许的情况下,调度中心控制层上位机上可以直接对闸门控制箱进行操作,实现远程集中控制。根据采集的信息,上位机可以建立各类信息数据库并对各类工艺参数值做出趋势曲线(含历史数据),供调度员分析比较,改进管理方法,提高经济效益。已建成运行的“智慧唐徕”闸门控制界面见图10.4和图10.5。
(3)视频监控系统。
图10.4 “智慧唐徕”系统闸门控制主界面
图10.5 “智慧唐徕”系统闸门控制分界面
1)组成。视频监控系统主要由设在现地的网络视频服务器以及安装在各监控点的摄像组件(防护罩、摄像机、镜头、支架)、相关线缆等组成。主要完成图像的传输、摄像机的控制、报警的输入或输出和本地录像等工作。此外,系统还具有密码保护、远程设备监控、多画面或全屏轮巡、控制优先权机制、控制权协商机制、系统分组、远程录像查询回放、手动抓图、远程报警、联动控制、图像动态侦测、布防和撤防、用户管理、电子地图、语音对讲等功能。
2)功能。视频监控系统的基本功能包括监视和录像功能、控制功能和回放功能。
监视和录像功能：利用安装在监视目标区域的摄像机对生产设备和环境进行远程实时监控,进行24h自动录像(也可设置为手动录像、视频感知录像或报警录像等方式),并将监视目标的动态图像传输到唐徕渠管理处调度中心,唐徕渠管理处调度中心也可以对摄像机进行控制和录像。根据授权,监控人员可以进行本地录像、远端录像或调用历史录像进行查看。
控制功能：现场及调度中心运行维护人员及有关管理人员或其他系统授权人员,通过微机即可对监控范围目标区域中的设备或现场进行监视,同时可以在微机上对镜头进行全方位控制。不但监控中心值班人员能看前端画面,而且相关职能部门、领导也能同时在自己的微机上进行实时察看和控制。
回放功能：具有权限的操作人员可对历史录像数据进行检索和回放。
视频服务器：在控制室内配置一套机柜,柜内装设嵌入式网络视频和摄像机用24V/AC、12V/DC电源等设备。视频服务器内硬盘录像的存储容量可保存1个月的录像资料。视频服务器支持实时录像、定时录像、报警录像等多种录像方式。
(4)气象数据采集系统。
1)总体设计。“智慧唐徕”的田间自动气象观测系统,可采集温度、湿度、风向、风速、太阳辐射量、雨量、气压、光照度、土壤温度、土壤湿度、露点等多项气象信息。在采集数据的基础上还可以进行趋势分析。该气象数据采集系统分有线站和无线站两种形式,配合软件可以实现网络远程数据传输和网络实时气象状况监测,见图10.6。
图10.6 “智慧唐徕”田间气象数据采集站
2)设备配置。气象信息自动采集设备配置见表10.1。
3)传感器。数字风速(风向)传感器：由风速传感器、风向传感器和传感器支架组成,风杯和风向标尾翼板用轻质高强度非金属材料制造。它的动态性能好、线性精度高、灵敏度高、测量范围宽、互换性好、抗风强度大,电路抗雷电干扰能力强,寿命长、工作可靠。其性能达到了世界气象组织(WMO)对测风传感器的建议要求。风速传感器的感应元件为三杯式风杯组件,信号变换电路为光电转换电路。在水平风力驱动下风杯组件旋转,通过主轴带动磁棒盘旋转,其上的数十只光电管通过旋转码盘感应出脉冲信号,其频率随风速的增大而线性增加。风向传感器的感应元件为前端装有辅助标板的单板式风向标。角度变换采用的是7位格雷码光电码盘。当风向标随风旋转时,通过主轴带动码盘旋转,每转动2.8125°,位于码盘上下两侧的7组发光与接收光电组件就会产生1组新的7位并行格雷码,经整形、倒相后输出。
表10.1 气象信息自动采集设备配置表
温湿度传感器：变送一体化设计,采用专用温湿度传感器补偿电路和线性化处理电路。温湿度传感器性能可靠,使用寿命长,响应速度快。采用高精度专用铂电阻作为感湿组件,配备先进的硬件电路和温度补偿处理技术,达到了整体良好的线性和较高的准确度,并且采用感湿探头和变送电路分体处理。外配防辐射通风罩,有效地阻止了外界环境对传感器采集精度的影响。
气压传感器：气压是作用在单位面积上的大气压力,即等于单位面积上向上延伸到大气上界的垂直空气柱的质量。气象上使用的所有气压表的刻度均应以hPa分度。在标准条件下,760mm Hg的气压等于1032.25hPa。
雨量传感器：降水是指从天空降落到地面上的液态或固态(经融化后)的水。降水量是指某一时段内未经蒸发、渗透、流失的降水,在水平面上积累的深度,以毫米(mm)为单位,取一位小数。气象部门按需求时段观测分钟、时、日降水量,并存储数据。雨量传感器(翻斗式)适用于气象台(站)、水文站以及环保、农业、林业等有关部门用以测量降水量,并将降水量转换为可以进行计量的物理信号。
土壤温度传感器：采用精密铂电阻作为感应部件,感应部件位于杆头部。可用来精确测量土壤温度,传感器的精度和稳定性依赖于PT-100型铂电阻元件的特性及精度级别。通过地温变送器接入自动气象站测量地表、浅层、深层地温。
蒸发传感器：蒸发传感器是用于测量液面蒸发量的仪器,适用于农业、林业、气象、科研等有关部门,其工作原理采用高精度的称重原理测得蒸发皿内液体质量,再计算出液面高度[24]。
数据采集器：数据采集系统采用高性能主控CPU,大容量数据存储器,可连续存储数据(存储时间可以设定),工业控制标准设计,便携式防震结构,轻触薄膜按键,适合在恶劣工业环境中使用。具有停电保护功能,当交流电停电后,由充电电池供电,可维持72h以上,既可与微机同时监测,又可以断开微机独立监测。